【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电机本体结构设计及电机容错模式性能优化，尤其涉及一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法与装置。
技术介绍
1、由于双三相永磁同步电机多相数提供的高控制自由度，其具有高可靠性和容错控制灵活的优点，使其在现代军事和重要工业领域中的应用日益广泛。
2、双三相永磁同步电动机可以在绕组和驱动桥臂发生故障的情况下转化为五相、四相甚至三相运行，但进入容错模式后其绕组电流分配和磁场分布会发生相应的变化，从而引发绕组铜耗、定子铁耗和永磁体涡流损耗的变化，影响电机效率和转矩输出能力等性能。因此，双三相永磁同步电机故障后容错模式运行性能的提升成为了其高可靠性领域重点关注的问题之一。
3、针对该问题，大多数研究主要针对某一种容错模式进行控制策略或电机本体设计的优化，没有综合考虑针对健康和所有容错模式进行定转子拓扑的优化，以同时提升全容错模式下电机系统的性能。再者，多相电机的轻量化设计也是当前亟需解决的问题之一，如何优化双三相永磁同步电机定转子拓扑结构以实现在保证电机输出效率的同时，减轻电机重量，提高其功率密度和转矩密度成为了当前的研究热点之一。
4、此外，当双三相永磁同步电机进入容错模式后，绕组电流和磁场的变化也会增加电机内部的热应力，可能会造成电机绕组绝缘老化和永磁体高温退磁等一系列电机热问题，进而给电机的可靠运行带来挑战。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法与装置，本专利技术以电机系统温升为
2、本专利技术按以下技术方案实现：
3、本专利技术提供了一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，包括以下步骤：建立以电机系统温度为强加边界条件，以电机的转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量为优化对象，寻求健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数；
4、通过采用遗传算法对目标函数进行寻优控制，从而得出满足轻量化设计和效率的最优解。
5、在一种实施方式中，所述双三相永磁同步电机包括不对称六相永磁同步电机a6、对称六相永磁同步电机s6，并且两套绕组中性点连接方式包含公共中性点连接和中性点隔离连接方式，此外上述不同中性点连接方式和绕组分布的双三相永磁同步电机在发生断相故障时都能进入五相运行、四相运行和三相运行容错模式。
6、在一种实施方式中，所述建立以电机系统温度为强加边界条件，以电机的转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量为优化对象，寻求健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数，包括：
7、根据双三相永磁同步电机实际运行参数，建立双三相永磁同步电机与驱动器的直接耦合分析模型；
8、通过直接耦合分析模型计算某一工况时健康和所有容错模式下定转子拓扑改变时系统的功率密度、转矩密度和效率，并拟合出某一工况下系统轻量化设计指标和效率随上述定转子拓扑变化的曲线，进而建立全运行范围内健康和所有容错模式下系统轻量化设计指标和效率关于转矩、转速和定转子拓扑的映射图谱；
9、设定双三相永磁同步电机可靠运行的温度阈值并建立电磁-温度双向耦合的全链式分析模型，计算全运行范围内健康及所有容错模式下定转子拓扑改变时的温升情况，并建立全容错模式下电机系统温度随定转子拓扑改变的映射图谱；
10、通过上述映射图谱对健康和所有容错模式下的轻量化设计指标和效率会进行综合考量，以双三相永磁同步电机电机系统温度为强加边界条件；在电机整体尺寸不变的前提下，寻求全容错模式下轻量化设计和效率都最优的定转子拓扑组合，并以此优化转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量，从而寻求出健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数。
11、在一种实施方式中，所述根据双三相永磁同步电机实际运行参数，建立双三相永磁同步电机与驱动器的直接耦合分析模型，表示为：
12、
13、其中，uin和iin分别为驱动单元输出至定子绕组的相电压和相电流，rs为绕组相电阻，les为绕组的端部电感，la为铁心的轴向长度，s为绕组横截面积，ω+和ω-分别为求解域中绕组线圈正方向和负方向的总面积；
14、其中，绕组的端部电感取决于每个线圈的端部绕组电感之和，其值可由以下经验公式计算：
15、
16、其中，μ0为真空磁导率，n为线圈匝数，d为线圈两边所跨的弦长，ap为并联支路数，lgmd为导体间的几何距离。
17、在一种实施方式中，电机系统温度阈值和强加边界条件为：
18、tlimit＝min(twinding*95％，tpm*95％)
19、
20、其中，tlimt为电机系统的温度阈值，twinding为电机绕组的绝缘耐温等级，tpm为电机永磁体的耐温等级，tj为第j种运行模式下电机系统的温度；
21、基于瞬态温度场和流体动力学理论，并考虑绕组阻值随温度变化的影响，建立电磁-温度双向耦合的全链式分析模型，三维瞬态温度场的分析方程和边界条件可表示为：
22、
23、
24、
25、其中，λx,λy和λz分别为求解域内材料沿x,y和z方向的导热系数,qv为各热源密度之和,ρ为密度，c为比热容，ks1和ks2分别为s1与s2面的法向导热系数，s1为电机绝热边界面，s2为电机散热边界面，kα为散热面s2的散热系数，tf为环境温度；
26、绕组材料的电阻率和温度的关系可表示为：
27、ρt＝ρ0[1+αr(t-t0)]
28、其中，ρt和ρ0分别为在温度t和t0时绕组材料的电阻率，αr为绕组材料的电阻率温度系数。
29、在一种实施方式中，所述目标函数表达式如下：
30、
31、
32、
33、其中，j＝1,2,3,4分别表示双三相永磁同步电机运行在健康模式(六相运行)、五相运行模式、四相运行模式和三相运行模式，νj表示第j种运行模式效率和轻量化设计指标在目标函数中所占的权重系数，tj表示第j种运行模式的电机系统温升情况，tlimt表示所设定双三相永磁同步电机可靠运行的温度阈值，ηj,sp_j,ste_j分别表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述双三相永磁同步电机包括不对称六相永磁同步电机和对称六相永磁同步电机，并且两套绕组中性点连接方式包含公共中性点连接和中性点隔离连接方式，此外上述绕组分布和不同中性点连接方式的双三相永磁同步电机在发生断相故障时都能进入五相运行、四相运行和三相运行容错模式。
3.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述建立以电机系统温度为强加边界条件，以电机的转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量为优化对象，寻求健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数，包括：
4.根据权利要求3所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述根据双三相永磁同步电机实际运行参数，建立双三相永磁同步电机与驱动器的直接耦合分析模型，表示为：
5.根据权利要求3所述的一种双三相永磁同步电机定转
6.根据权利要求3所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述目标函数表达式如下：
7.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，通过采用遗传算法对目标函数进行寻优控制，从而得出满足轻量化设计和效率的最优解,包括：
8.根据权利要求7所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述通过二进制编码表示不同定转子拓扑组合的个体，具体为：
9.根据权利要求7所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，
10.一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化装置，其特征在于，所述装置包括：
...【技术特征摘要】
1.一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述双三相永磁同步电机包括不对称六相永磁同步电机和对称六相永磁同步电机，并且两套绕组中性点连接方式包含公共中性点连接和中性点隔离连接方式，此外上述绕组分布和不同中性点连接方式的双三相永磁同步电机在发生断相故障时都能进入五相运行、四相运行和三相运行容错模式。
3.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述建立以电机系统温度为强加边界条件，以电机的转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量为优化对象，寻求健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数，包括：
4.根据权利要求3所述的一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，其特征在于，所述根据双三相永磁同步电...
【专利技术属性】
技术研发人员：汤昊岳，董志聪，李伟力，韩国强，程鹤，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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